GLICOLIZA: FUNCȚII, ENZIME, FAZE, PRODUSE, IMPORTANȚĂ - BIOLOGIE - 2025

Glicoliză sau glicoliza este calea principală de catabolism glucoză, al cărui scop final este acela de a genera energie sub sub formă de ATP și a puterii de reducere sub formă de NADH, din acest carbohidrat.

Această rută, complet elucidată în anii 1930 de Gustav Embden și Otto Meyerhof, în timp ce studiază consumul de glucoză în celulele musculare scheletice, constă în oxidarea completă a acestei monosacharide și, prin ea însăși, reprezintă o cale anaerobă pentru obținerea de energie.

Structura moleculară a ATP, unul dintre produsele glicolitice (Rezumatul căii glicolitice (Sursa: Tekks la Wikipedia Wikipedia / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prin Wikimedia Commons) via Wikimedia Commons)

Este una dintre principalele căi metabolice, deoarece apare, cu diferențele sale, în toate organismele vii care există, unicelulare sau multicelulare, procariote sau eucariote și se crede că este un lanț de reacții care este evolutiv extrem de conservat în natură.

De fapt, există unele organisme și tipuri de celule care depind exclusiv de această cale pentru a supraviețui.

În primul caz, glicoliza constă în oxidarea glucozei, a 6 atomi de carbon, la piruvat, care are trei atomi de carbon; cu producția concomitentă de ATP și NADH, utile pentru celule din punct de vedere metabolic și sintetic.

În celulele capabile să prelucreze în continuare produsele obținute din catabolismul glucozei, glicoliza se încheie cu producerea de dioxid de carbon și apă prin ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor (glicoliză aerobă).

Zece reacții enzimatice au loc pe parcursul căii glicolitice și, deși reglarea acestor reacții poate fi oarecum diferită de la specie la specie, mecanismele de reglare sunt, de asemenea, destul de conservate.

Funcțiile glicolizei

Din punct de vedere metabolic, glucoza este unul dintre cei mai importanți carbohidrați pentru toate lucrurile vii.

Este o moleculă stabilă și foarte solubilă, astfel că poate fi transportată relativ ușor pe întregul corp al unui animal sau al unei plante, de unde este depozitat și / sau obținut până unde este nevoie ca combustibil celular.

Structura glucozei (Sursa: Oliva93 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prin Wikimedia Commons)

Energia chimică conținută în glucoză este exploatată de celulele vii prin glicoliză, care constă într-o serie de etape extrem de controlate prin care energia eliberată din oxidarea acestui carbohidrat poate fi „captată” în forme de energie mai utilizabile. , de aici și importanța sa.

Prin această rută nu se obține numai energie (ATP) și puterea de reducere (NADH), dar oferă și o serie de intermediari metabolici care fac parte din alte rute, importante și din punct de vedere anabolic (biosintetic) și funcționare generală celulară. Iată o listă:

- 6-fosfat de glucoză pentru calea fosfatului pentoz (PPP)

- Piruvat pentru fermentarea lactică

- Piruvat pentru sinteza aminoacizilor (alanină, în principal)

- Piruvat pentru ciclul acidului tricarboxilic

- Fosfatoza 6-fosfat, glucoza 6-fosfat și dihidroxiacetona fosfat, care funcționează ca „blocuri de construcție” în alte căi precum sinteza de glicogen, acizi grași, trigliceride, nucleotide, aminoacizi etc.

Producere de energie

Cantitatea de ATP produsă de calea glicolitică, atunci când celula care o produce nu poate trăi în condiții aerobe, este suficientă pentru a alimenta nevoile energetice ale unei celule atunci când este cuplată la diferite tipuri de procese de fermentare.

Cu toate acestea, când vine vorba de celulele aerobe, glicoliza servește, de asemenea, ca sursă de urgență de energie și servește ca o „etapă pregătitoare” înaintea reacțiilor oxidative de fosforilare care caracterizează celulele cu metabolismul aerob.

Enzimele implicate în glicoliză

Glicoliza este posibilă numai datorită participării celor 10 enzime care catalizează reacțiile care caracterizează această cale. Multe dintre aceste enzime sunt alosterice și își schimbă forma sau conformația atunci când își exercită funcțiile catalitice.

Există enzime care rup și formează legături covalente între substraturile lor și există altele care necesită cofactori specifici pentru a-și îndeplini funcțiile, în principal ioni metalici.

Structural vorbind, toate enzimele glicolitice au un centru format în principal din foi paralele β înconjurate de elice α și dispuse în mai multe domenii. Mai mult, aceste enzime sunt caracterizate prin faptul că site-urile lor active sunt de obicei la siturile de legare între domenii.

De asemenea, este important de menționat că regulamentul principal al căii trece prin controlul (hormonali sau metaboliți) de enzime precum hexokinază, fosfofructokinază, gliceraldehidă 3-fosfat dehidrogenază și piruvat kinază.

Principalele puncte de reglementare a căii glicolitice (Sursa: Gregor 0492 / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) prin Wikimedia Commons)

1- Hexokinase (HK)

Prima reacție a glicolizei (fosforilarea glucozei) este catalizată de hexokinază (HK), al cărui mecanism de acțiune pare să constea dintr-un „strângere indusă” a substratului care promovează „blocarea” enzimei în jurul ATP și de glucoză (substraturile sale) odată ce s-a legat de ele.

În funcție de organismul considerat, pot exista una sau mai multe izoenzime, a căror masă moleculară variază între 50 (aproximativ 500 de aminoacizi) și 100 kDa, deoarece par să se grupeze sub formă de dimeri, a căror formare este favorizată de prezența glucozei, ionilor de magneziu și ATP.

Hexokinasa are o structură terțiară compusă din foi alfa și beta deschise, deși există multe diferențe structurale în aceste enzime.

2- Fosfoglucozom izomeraza (IGP)

Glucoza fosforilată de hexokinaza este izomerizată la fructoza 6-fosfat prin fosfoglucoză izomerază (IGP), cunoscută și sub denumirea de glucoză 6-fosfat izomerază. Apoi, enzima nu îndepărtează și nu adaugă atomi, ci îi rearanjează la nivel structural.

Aceasta este o enzimă activă sub forma sa dimerică (monomerul cântărește mai mult sau mai puțin de 66 kDa) și este implicat nu numai în glicoliză, ci și în gluconeogeneză, în sinteza carbohidraților din plante etc.

3- Fosfofructocinază (PFK)

Fructoza 6-fosfat este un substrat al enzimei fosfofructocinazei, care este capabil să re-fosforilezeze această moleculă folosind ATP ca donator al grupei fosforil, producând fructoză 1,6-bifosfat.

Această enzimă există la bacterii și mamifere ca o enzimă homotetramerică (formată din patru subunități identice de 33 kDa fiecare pentru bacterii și 85 kDa fiecare la mamifere), iar la drojdii este un octamer (format din subunități mai mari, între 112 și 118 kDa).

Este o enzimă alosterică, ceea ce înseamnă că este reglată pozitiv sau negativ de unii dintre produsele sale (ADP) și de alte molecule precum ATP și citrat.

4- Aldolasse

Cunoscută și sub denumirea de fructoză 1,6-bifosfat aldolază, aldolază catalizează descompunerea catalitică a fructozei 1,6-bisfosfat în fosfat dihidroxiacetonă și gliceraldehidă 3-fosfat și reacția inversă, adică unirea ambelor zaharuri pentru formarea fructoza 1,6-bifosfat.

Cu alte cuvinte, această enzimă taie fructoza 1,6-bisfosfat chiar la jumătate, eliberând doi compuși fosforilați cu 3-carbon. Aldolază este, de asemenea, compusă din 4 subunități identice, fiecare având propriul site activ.

A fost determinată existența a două clase (I și II) ale acestei enzime, care se diferențiază prin mecanismul reacției pe care o catalizează și pentru că unele (primele) apar în bacterii și eucariote „inferioare”, iar celelalte ( al doilea) sunt în bacterii, protiști și metazoane.

Aldolază eucariotică „superioară” constă dintr-un omotetramer de subunități cu greutate moleculară de 40 kDa, fiecare constând dintr-un butoi compus din 8 foi de β / α.

5- Tosose izomeraza fosfat (TIM)

Cele două triose fosforilate pot fi interconvertite între ele datorită acțiunii triosofosfatului izomerază, care permite utilizarea ambelor zaharuri în toată glicoliza, asigurând utilizarea completă a fiecărei molecule de glucoză care intră pe cale.

Această enzimă a fost descrisă ca enzimă „perfectă”, deoarece catalizează reacția descrisă de aproximativ un trilion de ori mai repede decât ar apărea fără participarea ta. Situsul său activ este în centrul unei structuri beta-baril, caracteristică multor enzime glicolitice.

Este o proteină dimerică, formată din două subunități identice de aproximativ 27 kDa, ambele cu structură globulară.

6- Gliceraldehidă 3-fosfat dehidrogenază (GAPDH)

Gliceraldehida 3-fosfat produsă prin acțiunea aldolazei și a triosei fosfat izomeraza servește ca substrat pentru GAPDH, care este o enzimă homotetramerică (34-38 kDa fiecare subunitate) care se leagă cooperativ de o moleculă de NAD + în fiecare din cele 4 situsuri active, precum și 2 ioni de fosfat sau sulfat.

În această etapă a căii, enzima permite fosforilarea unuia dintre substraturile sale utilizând fosfat anorganic ca donator al grupei fosforil, cu reducerea concomitentă a două molecule NAD + și producerea de 1,3-bisfosfoglicrat.

7- Fosfoglicratul kinazei (PGK)

Fosfoglicratul kinazei este responsabil pentru transferul uneia dintre grupările fosfat de 1,3-bisfosfoglicerat într-o moleculă ADP prin fosforilare la nivelul substratului. Această enzimă folosește un mecanism similar cu cel folosit de hexokinază, deoarece se închide la contactul pe substraturile sale, protejându-le de interferirea moleculelor de apă.

Această enzimă, ca și altele care folosesc două sau mai multe substraturi, au un loc de legare pentru ADP și altul pentru fosfat de zahăr.

Spre deosebire de celelalte enzime descrise, această proteină este un monomer de 44 kDa cu o structură bilobală, alcătuită din două domenii de aceeași dimensiune conectate printr-o „fisură” îngustă.

8- Mutaza fosflicicratului

3-fosfogliceratul suferă o schimbare de la grupul fosfat spre carbonul 2, în mijlocul moleculei, ceea ce reprezintă un loc de instabilitate strategică care facilitează transferul ulterior al grupului la o moleculă ATP în ultima reacție a căii.

Această rearanjare este catalizată de enzima fosfoglicrat mutază, o enzimă dimerică pentru om și tetrameric pentru drojdie, cu o dimensiune a subunității aproape de 27 kDa.

9- Enolază

Enolaza catalizează deshidratarea 2-fosfoglicerului în fosfenolpiruvat, un pas necesar pentru generarea de ATP în următoarea reacție.

Este o enzimă dimerică compusă din două subunități identice de 45 kDa. Depinde de ioni de magneziu pentru stabilitatea sa și pentru schimbarea conformațională necesară pentru a se lega de substratul său. Este una dintre enzimele care se exprimă cel mai abundent în citosolul multor organisme și îndeplinește funcții pe lângă cele glicolitice.

10- Piruvat kinază

A doua fosforilare la nivel de substrat care apare în glicoliză este catalizată de piruvat kinază, care este responsabil pentru transferul grupării fosforil din fosfenolpiruvat în ADP și pentru producerea de piruvat.

Această enzimă este mai complexă decât oricare dintre celelalte enzime glicolitice și la mamifere este o enzimă homotetramerică (57 kDa / subunitate). Există, la vertebrate, cel puțin 4 izoenzime: L (în ficat), R (în eritrocite), M1 (în mușchi și creier) și M2 (țesut fetal și țesuturi adulte).

Faze de glicoliză (pas cu pas)

Calea glicolitică constă din zece pași secvențiali și începe cu o moleculă de glucoză. În timpul procesului, molecula de glucoză este "activată" sau "preparată" cu adăugarea a doi fosfați, inversând două molecule de ATP.

Ulterior, acesta este „tăiat” în două fragmente și în final este modificat chimic de câteva ori, sintetizând patru molecule de ATP pe parcurs, astfel încât câștigul net pe ruta să corespundă cu două molecule de ATP.

Din cele de mai sus, se poate deduce că traseul este împărțit într-o fază de „investiție” energetică, fundamentală pentru oxidarea completă a moleculei de glucoză și o altă fază de „câștig” de energie, unde energia utilizată inițial este înlocuită și se obțin două. molecule net ATP.

- Faza de investiții în energie

1- Prima etapă a căii glicolitice constă în fosforilarea glucozei mediate de hexokinază (HK), pentru care enzima folosește o moleculă de ATP pentru fiecare moleculă de glucoză care este fosforilată. Este o reacție ireversibilă și depinde de prezența ionilor de magneziu (Mg2 +):

Glucoză + ATP → Glucoză 6-fosfat + ADP

2- Glucosul 6-fosfat astfel produs este izomerizat la fructoza 6-fosfat datorită acțiunii enzimei fosfoglucoză izomerază (IGP). Aceasta este o reacție reversibilă și nu implică cheltuieli suplimentare de energie:

Glucoză 6-fosfat → Fructoză 6-fosfat

3- Ulterior, o altă etapă de inversare a energiei implică fosforilarea fructozei 6-fosfat pentru a forma fructoza 1,6-bifosfat. Această reacție este catalizată de enzima fosfofructocinază-1 (PFK-1). Ca primul pas în calea, molecula donatoare a grupei fosfat este ATP și este, de asemenea, o reacție ireversibilă.

Fructoză 6-fosfat + ATP → Fructoză 1,6-bisfosfat + ADP

4- În această etapă a glicolizei, există descompunerea catalitică a fructozei 1,6-bisfosfat în fosfat de dihidroxiacetone (DHAP), o cetoză și gliceraldehidă 3-fosfat (GAP), o aldoză. Această condensare a aldolului este catalizată de enzima aldolază și este un proces reversibil.

Fructoză 1,6-bisfosfat → Dihidroxiacetona fosfat + gliceraldehidă 3-fosfat

5- Ultima reacție a fazei de inversare a energiei constă în interconversia fosfatului trios DHAP și GAP catalizate de enzima triose-fosfat izomeraza (TIM), fapt care nu necesită aport suplimentar de energie și este, de asemenea, un proces reversibil.

Fosfat dihidroxiacetonă ↔ Gliceraldehidă 3-fosfat

- Faza de câștig de energie

6- Gliceraldehida 3-fosfat este folosită „în aval” pe calea glicolitică ca substrat pentru o reacție de oxidare și alta pentru fosforilare, catalizată de aceeași enzimă, gliceraldehidă 3-fosfat dehidrogenază (GAPDH).

Enzima catalizează oxidarea carbonului C1 al moleculei la un acid carboxilic și fosforilarea acestuia în aceeași poziție, producând 1,3-bisfosfoglicrat. În cursul reacției, 2 molecule de NAD + sunt reduse pentru fiecare moleculă de glucoză și sunt utilizate 2 molecule de fosfat anorganic.

2-Glicerldehidă 3-fosfat + 2NAD + + 2Pi → 2 (1,3-bisfosfoglicrat) + 2NADH + 2H

În organismele aerobe, fiecare NADH produs în acest fel trece prin lanțul de transport al electronilor pentru a servi drept substrat pentru sinteza a 6 molecule de ATP prin fosforilare oxidativă.

7- Aceasta este prima etapă de sinteză a ATP în glicoliză și implică acțiunea fosfoglicratului kinazei (PGK) asupra 1,3-bisfosfoglicratului, transferând o grupare fosforil (fosforilare la nivel de substrat) de la această moleculă la o moleculă de ADP, obținând 2ATP și 2 molecule de 3-fosfoglicerat (3PG) pentru fiecare moleculă de glucoză.

2 (1,3-bisfosfoglicrat) + 2ADP → 2 (3-fosfoglicerat) + 2ATP

8- 3-fosfoglicratul servește ca substrat al enzimei fosfoglicerate mutază (PGM), care îl transformă în 2-fosfoglicrat prin deplasarea grupării fosforil din carbonul 3 în carbonul 2 printr-o reacție în două etape care este reversibilă și depinde de ioni de magneziu (Mg + 2).

2 (3-fosfoglicrat) → 2 (2-fosfoglicrat)

9- Enzima enolază deshidratează 2-fosfoglicratul și produce fosfenolpiruvat (PEP) printr-o reacție care nu garantează adăugarea de energie suplimentară și al cărei scop este producerea unui compus cu energie mare, capabil să-și doneze grupa fosforil în următoarele reacţie.

2 (2-fosfoglicrat) → 2 Fosfenolpiruvat

10- Fosfenolpiruvatul este un substrat pentru enzima piruvat kinază (PYK), care este responsabil pentru transferul grupării fosforil din această moleculă într-o moleculă ADP, catalizând astfel o altă reacție de fosforilare la nivelul substratului.

În reacție, pentru fiecare glucoză sunt produse molecule 2ATP și 2 piruvat și este necesară prezența de potasiu și magneziu în formă ionică.

2Fosfenololuvat + 2ADP → 2Piruvat + 2ATP

Randamentul net al glicolizei constă în 2ATP și 2NAD + pentru fiecare moleculă de glucoză care intră pe cale.

Dacă este vorba de celule cu metabolism aerob, atunci degradarea totală a unei molecule de glucoză produce între 30 și 32 ATP prin ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor.

Produse de glicoliză

Reacția generală a glicolizei este următoarea:

Glucoză + 2NAD + + 2ADP + 2Pi → 2Piruvat + 2ATP + 2NADH + 2H +

Prin urmare, dacă este analizată pe scurt, s-ar putea asigura că principalele produse ale căii glicolitice sunt piruvatul, ATP, NADH și H.

Cu toate acestea, soarta metabolică a fiecărui intermediar de reacție depinde, în mare măsură, de nevoile celulare, motiv pentru care toți intermediarii pot fi considerați drept produse de reacție și pot fi enumerați astfel:

- Glucoză 6-fosfat

- 6-fosfat de fructoză

- 1,6-bisfosfat de fructoză

- Dihidroxiacetona fosfat și gliceraldehida 3-fosfat

- 1,3-bisfosfoglicrat

- 3-fosfoglucrate și 2-fosfoglicrate

- Fosfenolpiruvat și piruvat

Importanţă

În ciuda faptului că glicoliza, de la sine (s-ar putea vorbi despre glicoliză anaerobă), produce doar aproximativ 5% din ATP care poate fi extras din catabolismul aerob al glucozei, această cale metabolică este esențială din mai multe motive:

- Servește ca o sursă rapidă de energie, mai ales în situațiile în care un animal trebuie să iasă dintr-o stare de repaus, pentru care procesele de oxidare aerobă nu ar fi suficient de rapide.

- Fibrele musculare scheletice „albe” din corpul uman, de exemplu, sunt fibre cu răsucire rapidă și depind de funcționarea glicolizei anaerobe.

- Când, dintr-un anumit motiv, o celulă trebuie să se descotorosească de o parte din mitocondriile sale (care sunt organelele care realizează fosforilarea oxidativă a unei părți a produselor glicolitice, printre altele), celula devine mai dependentă de energia obținută de calea glicolitică.

- Multe celule depind de glucoză ca sursă de energie prin glicolitice, printre care celulele roșii din sânge , lipsite de organele interne și celulele ochiului (în special cele ale corneei) care nu au o densitate mare de mitocondrii.

Referințe

1. Canback, B., Andersson, SGE și Kurland, CG (2002). Filogenia globală a enzimelor glicolitice. Proceedings of the National Academy of Sciences, 99 (9), 6097-6102.
2. Chaudhry R, ​​Varacallo M. Biochimie, Glicoliză. . În: StatPearls. Insula comorilor (FL): Publicarea StatPearls; 2020 ian. Disponibil de pe: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK482303/
3. Fothergill-Gilmore, LA, & Michels, PA (1993). Evoluția glicolizei. Progrese în biofizică și biologie moleculară, 59 (2), 105-235.
4. Kim, JW și Dang, CV (2005). Role multifacetate ale enzimelor glicolitice. Tendințe în științele biochimice, 30 (3), 142-150.
5. Kumari, A. (2017). Dulce biochimie: amintirea structurilor, ciclurilor și căilor de către Mnemonics. Presă academică.
6. Li, XB, Gu, JD și Zhou, QH (2015). Revizuirea glicolizei aerobe și a enzimelor cheie ale acesteia - noi ținte pentru terapia cancerului pulmonar. Cancer toracic, 6 (1), 17-24.